骨質(zhì)疏松癥相關(guān)細胞因子研究進展

李淼 史曉 施丹 張騰 李黎 鮑曉敏

上海中醫(yī)藥大學附屬岳陽中西醫(yī)結(jié)合醫(yī)院，上海 200437

骨質(zhì)疏松癥(osteoporosis,OP)是一類多發(fā)于老年人的全身性骨骼疾病，以骨量減少，骨組織微結(jié)構(gòu)破壞，骨脆性增加，易發(fā)生骨折為主要特征。脆性骨折，又稱骨質(zhì)疏松性骨折，是骨質(zhì)疏松癥的嚴重并發(fā)癥，指受到輕微創(chuàng)傷或日常活動中即發(fā)生的骨折。據(jù)國內(nèi)流行病學調(diào)查結(jié)果顯示，近年來脆性骨折發(fā)生率顯著上升，危害巨大，是老年患者致殘和致死的主要原因之一，給家庭及社會更是造成了沉重負擔。2017年原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥診療指南[1]強調(diào)OP是可防可治的，臨床工作者應不斷加強對高危人群的早期篩查與識別。

骨、肌肉組織同屬于內(nèi)分泌器官[2]，脂肪組織亦具有調(diào)節(jié)內(nèi)分泌的功能，肌肉分泌的相關(guān)因子參與骨骼生長、發(fā)育過程的調(diào)控，骨因子同樣可影響肌力、肌量，而脂肪組織分泌的多種脂肪因子在參與機體內(nèi)炎癥及免疫反應的同時，還起到維持骨代謝平衡的重要作用。骨密度下降是肌肉-骨骼系統(tǒng)調(diào)節(jié)失衡的結(jié)果，研究表明[3]，OP的發(fā)生、發(fā)展不僅與骨量減少、骨髓中脂肪含量增多有關(guān)，還與全身肌肉含量、強度下降等因素有關(guān)。由此可以看出OP在發(fā)病過程中受到多個骨、骨骼肌及脂肪組織等相關(guān)因子的調(diào)控，而研究這些相關(guān)細胞因子在骨代謝中的表達可能對OP的早期診斷及防治具有重要意義，其中骨形態(tài)發(fā)生蛋白、轉(zhuǎn)化生長因子beta、成纖維細胞生長因子、肌肉生長抑制素、脂肪因子等是近年來的研究熱點。以下對它們的相關(guān)研究進展做一綜述。

1 骨形態(tài)發(fā)生蛋白

1965年Urist首次在骨基質(zhì)內(nèi)發(fā)現(xiàn)一種活性蛋白質(zhì)，因其能誘導異位成骨而稱之為骨形態(tài)發(fā)生蛋白(bone morphogenetic proteins,BMPs)。BMPs在人體內(nèi)多由肝臟合成并分泌，迄今已有20多種BMPs被成功分離和克隆，除BMP-1外均屬于轉(zhuǎn)化生長因子-beta(transforming growth factor beta,TGF-β) 超家族成員[4]。值得一提的是，并非所有BMPs家族成員均為骨形成的誘導因子，例如BMP-3可通過抑制成骨性BMPs信號傳導來負性調(diào)節(jié)骨形成，另外，BMP-13也具有不容忽視的骨形成抑制作用[5]。

人體內(nèi)骨重建過程離不開成骨細胞和破骨細胞的共同作用。BMPs在OP成骨細胞分化中具有關(guān)鍵作用，通過增加堿性磷酸酶和骨鈣蛋白等基因的表達促進新骨形成，還可通過作用于特定的未分化、有活性的間充質(zhì)細胞，誘導其不可逆的分化為軟骨和骨細胞，從而參與骨骼的生長、發(fā)育[6]；BMPs對破骨細胞也有正向作用，可直接或間接參與破骨細胞的合成、代謝過程[7]。

BMPs是臨床上用來加強骨折修復、維持骨量的骨誘導物，可作為骨傷組織愈合的補充途徑，促進骨折愈合[5]。目前研究較多的有BMP-2、4、7、9，它們均在成骨方面發(fā)揮重要作用，其中BMP-9成骨活性及骨誘導潛力最強，它以腺病毒為載體在具有免疫能力的活體內(nèi)也能起到顯著的誘導骨形成作用，Kobayashi等[8]認為BMP-9有望成為家族成員中誘導骨再生、修復骨缺損最有效的臨床治療靶標；多項研究表明BMP-2、4、7在整個骨折愈合過程中持續(xù)表達且均有上調(diào)現(xiàn)象，Li W等[9]通過將BMP-2轉(zhuǎn)移至新西蘭白兔的骨折部位周圍組織發(fā)現(xiàn)，與對照組相比，基因注射組呈現(xiàn)出較為明顯的穩(wěn)定愈合放射跡象，骨痂形成速度加快，骨缺損愈合時間縮短；黃松等[10]研究發(fā)現(xiàn)骨碎補總黃酮對骨質(zhì)疏松癥模型大鼠療效更為顯著，經(jīng)ELISA檢測發(fā)現(xiàn)骨碎補黃酮組大鼠股骨中BMP-2蛋白以及血清骨鈣素水平均高于模型組，推斷其作用機制可能與上調(diào)股骨組織中BMP-2、血清骨鈣素水平有關(guān)。BMPs是誘導骨形成能力最強的細胞因子，在骨形成和重建過程中起主導作用，因此在探究骨形成和重建相關(guān)機制時，通過檢測不同時期的BMPs細胞因子水平來了解BMPs的表達和分布情況至關(guān)重要。

2 轉(zhuǎn)化生長因子beta

轉(zhuǎn)化生長因子beta(transforming growth factor beta,TGF-β)是一種具有調(diào)節(jié)細胞增殖、分化與凋亡、胞外基質(zhì)合成與貯存、胚胎發(fā)育和組織修復等多種生物學活性的蛋白多肽，由骨細胞產(chǎn)生，在骨折愈合初期即開始表達，它廣泛存在于動物正常組織細胞及轉(zhuǎn)化細胞中，其中以骨組織中含量最高[11]。

TGF-β是維持骨穩(wěn)態(tài)的重要因子。長期以來TGF-β一直被當做是骨母細胞的化學吸引劑，通過破骨細胞性骨吸收作用分解前體相關(guān)蛋白，從而釋放活躍的TGF-β1誘導骨質(zhì)缺損部位骨母細胞聚集；同時TGF-β也可通過調(diào)節(jié)破骨細胞的增殖與分化過程影響骨吸收，低劑量TGF-β促進破骨細胞分化，高劑量TGF-β對破骨細胞的抑制作用則由成骨細胞介導，并形成一個負反饋環(huán)來限制骨吸收[12-13]。因此，TGF-β是骨形成與骨吸收偶聯(lián)的重要因子。間充質(zhì)干細胞(mesenchymal stem cell,MSCs)是一類存在于大多數(shù)成熟結(jié)締組織(如骨髓、脂肪組織和臍帶血等)中的基質(zhì)細胞，在不同生理病理刺激下可定向分化為成骨細胞、軟骨細胞、脂肪細胞等。目前認為BMSCs在炎癥性骨病和骨缺損修復方面大有可為，TGF-β可調(diào)控BMSCs來源的細胞增殖及定向分化。Liu等[14]研究發(fā)現(xiàn)在TGF-β1和血管內(nèi)皮生長因子(vascular endothelial growth factor,VEGF)協(xié)同作用下可增強BMSCs的增殖和分化，提高細胞外基質(zhì)的表達水平，從而促進椎間盤退變的修復和再生。

臨床研究報道[15]絕經(jīng)后骨量減少和骨質(zhì)疏松癥婦女血清TGF-β水平顯著降低、骨折風險增加，血清TGF-β水平與患者自身骨密度呈正相關(guān)(P<0.05)，提示TGF-β水平下降可能是骨質(zhì)疏松癥的發(fā)病因素之一。張萌萌等[16]研究亦表明骨質(zhì)疏松組血清TGF-β水平低于正常對照組，TGF-β測定值與股骨頸骨密度呈正相關(guān)，張鐸安[17]通過對臨床上骨折延遲愈合患者(觀察組)和骨折正常愈合患者(對照組)的血清TGF-β1的對照研究發(fā)現(xiàn)，觀察組水平均明顯低于對照組，且差異具有統(tǒng)計學意義(P<0.05)，從而可得出血清TGF-β1水平可反映機體骨代謝水平，亦是影響骨折愈合速度的因素之一。因此認為未來血清TGF-β可作為原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥發(fā)生風險評估、骨質(zhì)疏松性骨折愈合速度判斷的客觀輔助性指標，同時在炎癥性骨病及骨缺損修復方面也具有重要應用價值。

3 成纖維細胞生長因子

成纖維細胞生長因子(fibroblast growth factors,FGFs)是一種由多類型器官合成，可明顯促進成纖維細胞增殖分化的細胞因子，研究發(fā)現(xiàn)[18]FGFs能刺激間充質(zhì)細胞、骨髓基質(zhì)干細胞、軟骨細胞和成骨細胞分裂。根據(jù)等電點酸堿性不同可分為酸性成纖維細胞生長因子(acid fibroblast growth factor,aFGF)和堿性成纖維細胞生長因子(basic fibroblast growth factor,bFGF)，二者在多種組織和細胞中均有表達，其中人體中的FGFs主要為bFGF，其成骨能力強于aFGF[19]。

目前已發(fā)現(xiàn)的FGFs家族成員有23個，相互之間有20%～50%的氨基酸序列是相同的，除FGF-21之外，大多數(shù)FGFs對骨細胞、軟骨細胞增殖分化，骨折后骨痂愈合等骨形成進程起到積極作用；FGF-2促進骨橋蛋白和骨連蛋白的合成，在參與調(diào)節(jié)骨形成過程中對破骨細胞起到正向調(diào)控作用，既能促進成骨細胞分泌核因子-κB受體活化因子配體(receptor activator of NF-κB ligand,RANKL)間接調(diào)控破骨細胞，又能激活絲裂原活化蛋白激酶(mitogen activated protein kinase,MAPK)信號通路直接促進破骨細胞分化[20]；FGF-23屬于FGF-19亞家族成員之一，是一種重要的骨源性調(diào)磷細胞因子，多數(shù)由骨細胞產(chǎn)生并在其中表達，通過減少腎小管重吸收和腸磷吸收來降低血磷水平[21]，另一方面，F(xiàn)GF-23在FGF受體(fibroblast growth factor receptor,FGFR)、Klotho的協(xié)同作用下還可以參與體內(nèi)維生素D的合成與分解過程。

FGFs家族與骨代謝相關(guān)疾病的發(fā)生發(fā)展過程息息相關(guān)。Hurley等[22]研究發(fā)現(xiàn)FGF-2基因敲除小鼠隨著月齡增加其骨量減低更為嚴重，從而提出隨著年齡增長人類間充質(zhì)衍生性祖細胞內(nèi)在增殖能力降低與體內(nèi)FGF-2減少有關(guān)的假設(shè)并加以驗證，實驗結(jié)果表明FGF-2可用于刺激老齡化間充質(zhì)衍生性祖細胞的治療；FGF-23的缺失或者過高表達均會造成體內(nèi)鈣磷失衡，同時體外實驗結(jié)果顯示FGF-23過高表達不僅抑制成骨細胞分化還抑制骨基質(zhì)礦化，提示FGF-23不僅參與鈣磷代謝，還與骨質(zhì)疏松癥的發(fā)生發(fā)展有關(guān)。Fukumoto等[23]調(diào)查結(jié)果顯示抑制FGF-23活性在某種程度上可以改善低磷血癥和骨軟化，且FGFR/Klotho復合物作為FGF-23主要受體，F(xiàn)GF23-FGFR/Klotho通路更是有望成為治療磷和骨代謝障礙藥物的新靶標。因此FGFs不僅能促進骨組織的生長，同時對軟骨組織也有著良好的誘導作用，在骨與軟骨的生長和重塑過程中扮演重要角色。

4 肌肉生長抑制素

肌肉生長抑制素(myostatin,MSTN)，顧名思義即為具有抑制肌肉生長發(fā)育作用的細胞因子，是1997年McPherron發(fā)現(xiàn)的一段具有TGF-β家族典型結(jié)構(gòu)特征的編碼基因蛋白，因而被命名為生長分化因子8(TGF-8)。研究發(fā)現(xiàn)在小鼠、肉牛等哺乳動物中，MSTN基因缺失會導致其肌纖維增多，肌細胞肥大，瘦體重增加，出現(xiàn)“雙肌表型”。反之該結(jié)論并不完全成立，覃麗英等[24]通過比較骨質(zhì)疏松組和對照組婦女的各項指標發(fā)現(xiàn)，即使當兩組婦女瘦體重差別顯著時，血清MSTN值也不具有明顯差異，據(jù)此推論血清MSTN水平與瘦體重和骨量無明顯相關(guān)性。

除了調(diào)控骨骼肌的生長之外，MSTN還能夠調(diào)控脂肪形成和代謝平衡，研究結(jié)果[25]顯示抗MSTN抗體(ATA842)可增強小鼠的肌肉力量并提高老齡化小鼠的胰島素敏感性，而運動和體重減輕均能有效抑制肥胖患者骨骼肌中MSTN mRNA的表達水平并改善他們的胰島素敏感性[26]。Elkasrawy等[27]還指出MSTN是間充質(zhì)干細胞增殖和分化的重要調(diào)節(jié)因子，研究結(jié)果顯示MSTN基因敲除小鼠普遍表現(xiàn)出體脂減少、骨密度和骨強度增加，同樣的在骨折愈合早期MSTN功能缺失時，骨折部位骨痂愈合速度加快、骨強度增加較為明顯。Le W等[28]嘗試使用MSTN基因誘導間質(zhì)干細胞產(chǎn)生的子細胞治療肌腱損傷，結(jié)果顯示與對照組相比，損傷組織細胞活性增加，因而推斷MSTN在骨折愈合、損傷修復方面具有較大的潛力。

5 其他

除上述提到的細胞因子之外，越來越多的研究表明，脂肪組織在骨形成和造血中也發(fā)揮著重要作用，它所分泌的瘦素(leptin)、趨化素(chemerin)、脂聯(lián)素(adiponectin)、抵抗素(resistin)等多種細胞因子又被稱為脂肪因子，這些脂肪因子不僅參與體內(nèi)的能量代謝和各種炎癥、免疫反應，還通過直接或間接影響骨重建過程起到維持骨代謝平衡的重要作用。其中瘦素、脂聯(lián)素、內(nèi)脂素等脂肪因子對骨形成有促進作用，趨化素、抵抗素等可負向調(diào)節(jié)骨代謝進程。

瘦素作為脂肪因子中的主要成員，其在調(diào)節(jié)體內(nèi)能量平衡方面的作用早已為大眾所知曉，近幾年又發(fā)現(xiàn)，瘦素在骨重建、骨代謝相關(guān)疾病發(fā)生發(fā)展過程中仍扮演重要角色，人們在成骨細胞和軟骨細胞中發(fā)現(xiàn)了瘦素受體，表明瘦素對骨代謝可能有著直接影響；另有研究表明[29]瘦素還可能通過激活FGF-23、骨鈣素等因子來調(diào)節(jié)骨代謝。

Chemerin是新發(fā)現(xiàn)的一種主要表達于人體白色脂肪組織、肝臟和肺的脂肪因子。郗焜等[30]研究發(fā)現(xiàn)高海拔老年藏族男性血清Chemerin升高與長期缺氧環(huán)境有關(guān)，血清Chemerin升高也可能是高海拔區(qū)老年藏族男性骨形成標志物水平降低、骨轉(zhuǎn)換能力異常的重要原因之一。前期研究顯示Chemerin及其受體CMKRL1還可調(diào)節(jié)BMSCs成脂、成骨分化過程，促進破骨細胞分化，影響骨形成，從而提示chemerin/CMKRL1信號通路有望為治療骨質(zhì)疏松提供新方向[31]。

6 小結(jié)

目前臨床上診斷原發(fā)性骨質(zhì)疏松癥的方法主要有骨密度測定、影像學檢查和骨轉(zhuǎn)化標志物(bone turnover markers,BTMs)測定等，但其不能及時反映體內(nèi)骨代謝水平，在骨質(zhì)疏松癥的觀察和治療方面的滯后性較為明顯。研究發(fā)現(xiàn)通過一系列骨、骨骼肌及脂肪代謝相關(guān)的細胞因子可在治療早期(3～6個月)靈敏地監(jiān)測出人體骨代謝水平變化，從而更好的起到指導臨床和科研的作用。因而深入研究各種相關(guān)細胞因子與骨質(zhì)疏松癥的關(guān)系，可以進一步了解骨質(zhì)疏松癥發(fā)生機制，為治療及預防骨質(zhì)疏松癥提供新的方向。